摩擦搅拌接合方法及摩擦搅拌接合体技术领域
本发明涉及摩擦搅拌接合方法以及摩擦搅拌接合体，具体地，本发明涉
及如下的摩擦搅拌接合方法以及通过采用该方法形成的摩擦搅拌接合体，该
摩擦搅拌接合方法包括：使金属构件彼此重合；使工具压抵一个金属构件，
以在摩擦搅拌接合过程中使该一个金属构件接合到另一个金属构件。
背景技术
在现有技术中，典型地通过采用熔融焊接、使用铆钉或其它部件的机械
接合、或者通过其它接合方法使由诸如铁和铝等的不同金属材料制成的金属
构件彼此接合。在使用铆钉或螺栓的机械接合中，需要铆钉或其它接合零件
用于接合，这不期望地导致成本增加、重量增大和其它问题。有鉴于这些情
况，作为接合金属构件的方法，近年来已经实行了摩擦搅拌接合(FSW：
FrictionStirWelding)。如图12所示，摩擦搅拌接合包括：使金属构件101和102
彼此重合、转动接合工具103并将接合工具103压抵一个金属构件101以产生使
该一个金属构件101软化的摩擦热并且使接合工具103贯入该一个金属构件
101、使由工具103产生的转动力搅拌该一个金属构件101和另一个金属构件
102而使得金属构件经历塑性流动。因而使该一个金属构件101和另一个金属
构件102彼此接合。
在该摩擦搅拌接合方法中，当拔出工具103时在摩擦搅拌接合的终端部
处形成了孔(以下称为工具孔)104(参见图12的(b)和图13)。在形成了工
具孔104的情况下，使该一个金属构件101和另一个金属构件102之间的界面
105露出。在这种情况下，如果例如界面105暴露于水，则会产生不期望的电
解腐蚀(electrolyticcorrosion)。摩擦搅拌接合的终端部指摩擦搅拌接合完成
时所处的部位。也就是，在从一端向另一端进行摩擦搅拌接合的情况下，终
端部指另一端所在的部位，而在向一端进行摩擦搅拌接合且该接合进行为进
一步返回中间的部位、工具在该中间的部位处被拔出的情况下，终端部指接
合完成时所处的中间的部位。
此外，在通过使用摩擦搅拌接合使由不同的金属(铁和铝)制成的构件
彼此接合的情况下，因为在熔融焊接的过程中引入了大量的热而导致在金属
构件之间的界面处不期望地产生了脆弱的金属间化合物(诸如Fe2Al5或
FeAl3)，这导致接合强度降低的问题。
此外，当进行使得工具103的前端未贯入另一个金属102的摩擦搅拌接合
时(当进行使得工具103的前端保留在一个金属材料101中而未到达另一个金
属材料103的摩擦搅拌接合时)，界面105和工具103的前端需要彼此尽可能地
接近以增大接合强度。在该过程中，如果工具103的前端靠界面105太近，则
工具103会在一个金属构件101附着于工具103的情况下被拔出，这导致工具孔
103的底部破损并且该一个金属构件101的终端部被工具孔104贯通到另一个
金属构件102。如果金属构件101和102之间的界面105(铁和铝彼此接触的部
分)随后通过作为通孔的工具孔104而露出，则在露出的部位会发生电解腐蚀，
导致接合强度的降低。如上所述，即使在未使得工具103的前端贯入另一个金
属材料102的情况下，在某些情况下界面105也会在摩擦搅拌接合的终端部处
不期望地露出。在这种情况下，如果例如界面105暴露于水，则会在界面处发
生电解腐蚀。此外，尽管原理上使工具103的前端与界面105之间的距离越短
接合强度就越大，但是与期望相悖地，接合强度不期望地降低了。
有鉴于这些情况，已经提出了诸如专利文献1和专利文献2说明的摩擦搅
拌接合方法等的摩擦搅拌接合方法。
为了填充摩擦搅拌接合的终端部处的通孔，专利文献1公开了：暂时终
止接合，然后将填充材料设置于工具孔中，接着在该工具孔处再次进行摩擦
搅拌接合来改善终端部处的接合部的气密性和水密性。
专利文献2公开了由不同金属材料制成的金属构件之间的摩擦搅拌接
合，具体地公开了在摩擦搅拌接合的终端部处设置诸如凸部等的余量金属部
而使得即使在终端部形成工具孔的情况下工具孔也不成为通孔，因此防止了
金属构件之间的界面露出或受到电解腐蚀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-172650号公报
专利文献2：日本特开2012-143812号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1说明的方法具有如下问题：
也就是，专利文献1说明的方法需要在一度执行了摩擦搅拌接合之后进
行将填充材料设置于摩擦搅拌接合的终端部处的工具孔中以填充工具孔的
步骤和再次进行接合的步骤。因此，不期望地增加了步骤数量。
专利文献2说明的摩擦搅拌接合方法具有如下问题：
(1)由于在摩擦搅拌接合的终端部处设置了余量金属部，因此由摩擦
搅拌接合生产的产品的重量不期望地增大了。
(2)在使用诸如伸展材料(挤出材料)等的、具有均一厚度的金属材
料的情况下不能使用专利文献2说明的方法。因此，该方法具有材料选择的
自由度低的缺点。
(3)工具的前端与界面之间的距离在形成有工具孔的余量金属部的位
置处比除了在该余量金属部以外的其余位置处长。另一方面，已知将工具的
前端和界面之间的距离设定为小值会改善接合强度，而将该距离设定为大值
会降低接合强度。因此，在专利文献2说明的方法中，在余量金属部中的界
面处的接合强度比在除了余量金属部以外的部位中的界面处的接合强度小。
结果，如果在通过使用该方法接合的部件中导入应力，则接合强度相对地低
的越靠近余量金属部的部位越早产生破损，可能导致裂纹从破损部位开始产
生并逐渐进展到其它部位，水会进入该破损的部位，因此发生电解腐蚀。
有鉴于这些情况实现了本发明，本发明的目的在于提供一种如下的摩擦
搅拌接合方法以及摩擦搅拌接合体：该摩擦搅拌接合方法在摩擦搅拌接合过
程中使由不同金属材料制成的金属构件彼此接合并且防止了不同的金属构件
彼此接触的接触部在接合部处露出，并且特别地提供一种如下摩擦搅拌接合
方法以及摩擦搅拌接合体：该摩擦搅拌接合方法使得在摩擦搅拌接合的终端
部处的接合强度与在除了终端部以外的部位处的接合强度大致相等，而不用
设置特别的附加步骤或者在金属构件中设置特别的结构，即使例如工具孔暴
露于水也能防止电解腐蚀，并且该摩擦搅拌接合方法适于具有大致均一厚度
的金属材料。
用于解决问题的方案
在本发明中，为了实现该目的，在包括使至少两个金属构件彼此重合以
及使工具从一个金属构件所在侧压抵金属构件以使金属构件彼此摩擦搅拌接
合的摩擦搅拌接合方法中，当所述工具到达摩擦搅拌接合的终端部的位置时，
使所述工具一边沿水平方向移动一边从所述一个金属构件拔出。
在本发明中，在所述工具的沿水平方向的移动过程中，该工具的中心轴
描绘出大致直线。
在本发明中，在所述工具的沿水平方向的移动过程中，该工具的中心轴
描绘出大致直线，并且该描绘出的大致直线的方向与工具行进方向不相同。
在本发明中，所述工具的沿水平方向的移动过程中，该工具的中心轴描
绘出多边形。
在本发明中，在所述工具的沿水平方向的移动过程中，该工具的中心轴
描绘出大致圆形。
在本发明中，所述工具描绘出的大致圆形的轨迹圆的直径为所述工具在
水平方向上不动的状态下在所述一个金属构件中形成的工具孔的直径的至
少1％。
在本发明中，在所述工具的前端大致到达另一个金属构件的状态下或者
在所述工具的所述前端贯入所述另一个金属构件的状态下，在所述摩擦搅拌
接合的终端部进行摩擦搅拌接合。
在本发明中，所述两个金属构件由不同的金属材料形成。
在本发明中，通过如下的方法来形成摩擦搅拌接合体：使至少两个金属
构件彼此重合；使工具从一个金属构件所在侧压抵金属构件，以使金属构件
彼此摩擦搅拌接合；并且，当所述工具到达摩擦搅拌接合的终端部的位置时，
使所述工具一边沿水平方向移动一边从所述一个金属构件拔出。
发明的效果
如上所述，根据本发明的摩擦搅拌接合方法，该摩擦搅拌接合方法包括：
使至少两个金属构件彼此重合；以及使工具从一个金属构件所在侧压抵金属
构件，以使金属构件彼此摩擦搅拌接合，其中，当所述工具到达摩擦搅拌接
合的终端部的位置时，使所述工具一边沿水平方向移动一边从所述一个金属
构件拔出，在用工具搅拌该一个金属构件(特别地，工具的侧面部分的金属)
的状态下拔出工具时能够填充在拔出工具时形成的工具孔，由此能够覆盖露
出的另一个金属构件。因此，能够提供如下的有益效果：
防止金属构件之间的界面露出，不需要在摩擦搅拌接合之后布置填充材
料或其它部件。也就是，仅与摩擦搅拌接合相关的步骤就足够了，步骤的数
量不会增加。
防止界面露出，不需要为终端部设置余量金属部。因而重量不会增大。
即使在使用诸如伸展材料等的、具有均一厚度的材料的情况下，也能够
避免金属构件之间的界面露出，由此改善了材料选择的自由度。
由于工具的前端与摩擦搅拌接合的终端部的界面之间的距离可以减小
到尽可能最短的距离，因此工具的前端与终端部的界面之间的距离可以大致
等于除了终端部以外的部位的距离。因而，能够使终端部的接合强度大致等
于除了终端部以外的部位的接合强度。因此，即使在通过使用该方法接合的
接合体中引入了应力，也难以发生破损，这是因为接合体在整个接合体上具
有大致均一的、高的接合强度。即使发生破损，终端部也不具有过早破损的
风险。结果，由于通过使用本方法接合的接合体不会破损，因此水不会进入
金属构件之间的界面，或者即使在摩擦搅拌接合的终端部与金属构件的外周
部接触的情况下也不会形成允许水进入的间隙，由此能够避免电解腐蚀。
附图说明
图1是概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法的立
体图。
图2是概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法的截
面图。图2的(a)示出了进行摩擦搅拌接合之前的状态，图2的(b)示出了
进行摩擦搅拌接合之后的状态。
图3是示出了图2的(b)中的由箭头A指示的圆所包围的部分的放大截面
图。图3的(a)示出了进行摩擦搅拌接合时的状态，图3的(b)示出了进行
摩擦搅拌接合之后的状态。
图4是示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法中所采用的摩
擦搅拌接合用工具的侧视图。
图5是示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法中摩擦搅拌接
合的终端部的位置的概念图。
图6是通过使用根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法生产的接合
部的采用平面图形式的照片。
图7是通过使用现有技术的摩擦搅拌接合方法生产的接合部的采用平面
图形式的照片。
图8概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法并且是
特别地示出了如下情况的平面图：其中在工具的沿水平方向的移动过程中，
该工具的中心轴描绘出大致圆形。
图9概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法并且是
特别地示出了如下情况的平面图：其中由工具描绘的大致圆形的轨迹圆的直
径为由该工具执行摩擦搅拌接合而在一个金属构件中形成的工具孔的直径
的至少1％。
图10概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法并且
是特别地示出了如下情况的平面图：其中工具的沿水平方向的移动为大致直
线。
图11概念性地示出了根据本发明的实施方式的摩擦搅拌接合方法并且
是特别地示出了如下情况的平面图：其中在工具的沿水平方向的移动过程
中，该工具的中心轴描绘出多边形。
图12是概念性地示出了现有技术的摩擦搅拌接合方法的截面图。图12的
(a)示出了摩擦搅拌接合完成之前的状态，图12的(b)示出了摩擦搅拌接
合完成之后的状态。
图13是概念性地示出了现有技术的摩擦搅拌接合的平面图。
具体实施方式
以下将参照图1至图11来详细地说明根据本发明的摩擦搅拌接合方法和
摩擦搅拌接合体的实施方式。
如图1至图3所示，根据本实施方式的摩擦搅拌接合方法包括：使由不同
金属材料制成的两个金属构件1和2彼此重合，转动摩擦搅拌接合用工具10，
并且将该工具10压抵一个金属构件1的表面以将压力施加到该金属构件1，使
得彼此接触的工具10和该一个金属构件1产生使金属构件1和2彼此接合的
热。在该方法中，当工具10到达金属构件1和2的接合完成时所处的终端部3
时，整个工具10在终端部的附近处沿着金属构件1和2在水平方向上移动的情
况下拔出。因而形成了摩擦搅拌接合体20。在图1和图2的(a)中示出的箭
头表示工具10在摩擦搅拌接合过程中移动的方向，图1和图2的(a)示出了
金属构件1和2在摩擦搅拌接合过程中沿着带状路径彼此接合。如图4的(a)
所示，接合用工具10例如是台肩11和探针(突起)12的组合。制成金属构件
1和2所采用的不同金属材料是例如从铁、铝和镁中选择的两种材料。摩擦搅
拌接合的终端部3是摩擦搅拌接合完成时所处的部位。具体地，在从一端向
另一端进行摩擦搅拌接合的情况下，终端部指在另一端处的部位(参见图5
的(a))，而在向一端进行摩擦搅拌接合且该接合进行为进一步返回中间的
部位、工具10在该中间的部位处被拔出的情况下，终端部指接合完成时所处
的中间的部位(图5的(b))。在图2、图3和图5中，附图标记13指当工具10
在摩擦搅拌接合的终端部3处被拔出时形成的工具孔，附图标记14指当工具
10的台肩11被压抵该一个金属构件1时在该一个金属构件1的上表面中形成
的台肩孔，附图标记15指当金属构件1和2彼此重合时形成的界面。以下将具
体地说明实施例。
作为将在以下两个实施例中使用的摩擦搅拌接合用工具10，如图1中短
划线所示地使用均为圆筒状的台肩11和探针12的组合。在两个实施例中，如
图1和图2所示，以如下方式进行摩擦搅拌接合：由不同金属材料制成的两个
金属构件1和2彼此重合，使工具10转动并且将该工具10插入到作为被彼此接
合的构件的金属构件1和2中。在两个实施例中，作为被彼此接合的构件的金
属构件1和2，使用厚度为2.0mm的铝板AC4CH作为上板，使用厚度为2.0mm
的软钢板作为下板。在两个实施例中，在以下接合条件下使用由超硬合金制
成的、台肩直径为12mm、探针直径为5mm且探针长度为1.7mm的接合工具：
转数为1500rpm；工具插入量为1.9mm；并且工具拔出速度为20mm/min。接
合工具倾斜3度作为前进角(angleofadvance)。
[实施例1]
在本实施例中，进行如下的两种接合：在如下的情况下进行一种接合，
其中，由不同材料制成的两个金属构件1和2以彼此重合的方式布置，使工具
10转动并使该工具10与作为上板的一个金属构件1的表面接触，并且工具10
在摩擦搅拌接合的终端部处一边沿水平方向移动一边从该一个金属构件1拔
出；而在如下的作为现有技术的方法的、相比较的情况下进行另一种接合，
其中，简单地在摩擦搅拌接合的终端部3处沿竖直方向向上拔出工具10。
图6示出了在本实施例中摩擦搅拌接合的终端部3的状态。在本实施方式
中，工具10一边以10mm/min的移动速度沿水平方向移动一边被拔出。结果，
使得在终端部3的附近的材料经历塑性流动。图6示出了在终端部3处形成的
工具孔13填充了材料，并且示出了未发现另一个金属构件2的铁在终端部3处
露出且不同金属彼此接触的部分并未露出。相比之下，在现有技术的方法中，
图7清楚地示出了由于简单地在摩擦搅拌接合的终端部3处向上拔出工具10
的作业，使工具孔13形成为通孔并且另一金属构件2的铁通过该工具孔13露
出。
[实施例2]
在本实施例中，如图8和图9所示，以如下方式进行接合：在摩擦搅拌接
合的终端部3处，一边以使得工具10的中心轴描绘出大致圆形的方式移动一
边拔出该工具10。具体地以如下方式进行接合：表示工具10被拔出时所沿着
的圆形移动的轨迹圆4的直径d1是变化的。以下的表1示出了实验结果。以如
下方式进行接合实验：使得工具10移动所沿着的轨迹圆4的直径d1相对于工
具10在水平方向上不动的状态下在一个金属构件1中形成的工具孔13(表1中
称为初始工具孔)的直径d2(＝5mm)被设定为从0mm至2.5mm(工具孔13
的直径d1的0至50％)。结果，露出的铁被完全覆盖。如表1明确示出地，在
本实施例中仅通过将工具10被拔出时所描绘的轨迹圆4的直径d1设定为工具
孔13的直径d2的至少1％的值就能提供与在实施例1中所提供的相同的有益
效果。
[表1]
在接合终端部处的初始工具孔和轨迹圆之间的关系以及接合结果
已经将本实施例应用于工具10的前端部并未到达另一个金属构件2、也
就是工具孔13不是通孔的情况，但是本发明不限于这种情况。可以替代地在
如下状态下进行摩擦搅拌接合：其中，在摩擦搅拌接合的终端部3处，工具10
的前端部已经大致到达了另一个金属构件2或者已经贯入另一个金属构件2。
在这种情况下，界面15通过工具孔13暂时露出，但是可以通过使工具10一边
沿水平方向移动一边向上拔工具10来封闭该贯通的工具孔13。因而，如实施
例1那样，能够防止界面15露出。
此外，在不允许工具10的前端部贯入另一个金属构件2的情况下，只要
工具10的被加压进入该一个金属构件1的前端部已经大致到达了另一个金属
构件2、也就是只要工具10的前端部和界面15之间的距离大于0mm而小于等
于0.2mm，就可以通过在摩擦搅拌接合的终端部3处一边使工具10沿水平方
向移动一边向上拔工具10来实现高的接合强度，由此即使当形成工具孔13的
底部的薄金属部破损的情况下也能够避免界面15露出。结果，能够抑制在摩
擦搅拌接合的终端部3处不同金属彼此接触的部位露出，由此能够防止在接
合终端部处的电解腐蚀。
在本实施例中，当向上拔工具10时，工具沿水平方向移动。替代地，可
以用诸如如图10所示的描绘出大致直线的工具10的沿行进方向的往复移动、
或者工具10的沿与行进方向不同的方向的往复移动、或者甚至是如图11所示
的工具10的中心轴描绘出诸如三角形或四边形等的多边形的移动来代替工具
10的沿水平方向的移动。在这些移动中的任意种移动中，使摩擦搅拌接合的
终端部3附近的材料经历塑性流动并且填充工具孔13，这提供了如实施例1中
那样的防止不同金属彼此接触的部位露出的有益效果。在图10和图11中，箭
头表示工具10的中心轴的轨迹。
已经参照工具10具有探针12的情况说明了本实施方式，但是本发明不限
于这种情况。替代地，可以使用不具有探针12的工具10(例如，在日本特开
2012-50996号公报中公开的工具，或者参见图4的(b))。利用这种不具有探
针12的工具10进行摩擦搅拌接合，使工具本身转动并且使工具一边沿水平方
向移动一边被拔出，这具有同样的有益效果。结果，使工具10的侧面部分的
金属材料经历塑性流动以防止在摩擦搅拌接合的终端部3处不同金属彼此接
触的部位露出，因此防止了在接合终端部处产生电解腐蚀。
已经说明了本发明的实施方式，但是本发明不限于所述的实施方式，可
以基于本发明的技术概念对所述的实施方式进行各种变型和变更。
附图标记说明
1、2：金属构件
3：终端部
4：轨迹圆
10：工具
11：台肩
12：探针
13：工具孔
14：台肩孔
15：界面
20：摩擦搅拌接合体
101、102：不同金属制成的构件
103：工具
104：工具孔
105：界面